一種新型鐵路智能信號控制標準系統(tǒng)設計方案與實現(xiàn)

1、一種新型的鐵路智能信號控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)- 電氣論文一種新型的鐵路智能信號控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)李紹斌 1，李文濤 2（ 1.北京交通大學電子信息工程學院， 北京 100044 ；2. 中國鐵路總公司電務部信號處，北京 100844 ）摘要：傳統(tǒng)的鐵路信號系統(tǒng)中的信號點燈控制系統(tǒng)采用集中控制的方法，由于沒有使用微處理器， 不便于實現(xiàn)故障的自診斷等有用的技術。 因此提出一種新穎的方案，將 LED 信號燈進行網(wǎng)絡化控制，每個 LED 信號燈集成一套具有雙網(wǎng)熱備通信功能的嵌入式微處理器系統(tǒng)。這套LED 系統(tǒng)由安裝于室內的智能信號機控制器集中控制， 智能信號機控制器接收來自微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的信息，執(zhí)行點燈命令

2、，反饋燈絲繼電器信息。該方案可提高鐵路信號系統(tǒng)的智能化程度，使信號的電纜使用量大幅度下降，系統(tǒng)可維護性和可擴容性顯著提高。關鍵詞：網(wǎng)絡控制； LED；信號控制；鐵路信號系統(tǒng)中圖分類號：TN911.7?34文獻標識碼：A 文章編號： 1004?373X（ 2015 ）14?0156?04收稿日期： 2015?01?25基金項目：國家自然科學基金項目（61050001 ）0 引言在傳統(tǒng)的鐵路信號系統(tǒng)中，信號開啟與關閉采用集中控制的方法，即每個信號燈分為供電和可控制兩個部分，供電為現(xiàn)場供電， 而信號的控制信號， 則是通過線纜都需引入控制室集中控制1 。無論是早期的6502繼電聯(lián)鎖，還是最新的微機聯(lián)鎖

3、系統(tǒng)， 信號機控制系統(tǒng)普遍采用繼電電路的硬開關，實現(xiàn)信號的開啟和關閉。在這種架構下，每個信號機控制單元都采用專門的電纜和室內相連，通過室內電路繼電器的組合來控制信號燈開啟和關閉。這種傳統(tǒng)的信號燈控制方式，每個燈位的控制信號都需引入控制室，雖便于管理， 這樣會導致信號系統(tǒng)電纜部分投入和施工量較大， 并且維護成本和強度較大； 同時，由于已布好的線纜不便于調整，使得系統(tǒng)的擴容和改造很不方便2?3 。隨著現(xiàn)代計算機技術及通信技術的發(fā)展，鐵路信號正朝著智能化、網(wǎng)絡化和數(shù)字化的方向發(fā)展；針對這種發(fā)展方向4 ，本文提出并實現(xiàn)了一種新穎的基于網(wǎng)絡信號的控制方案， 即采用網(wǎng)絡化的結構來控制信號機的開啟和關閉。這

4、樣可大大提高鐵路信號系統(tǒng)的智能化程度；同時，控制信號承載在英特網(wǎng)協(xié)議中傳輸，減少信號的電纜使用量， 大大提高系統(tǒng)可維護性和結構靈活性，而且非常有利于今后系統(tǒng)擴容和設備升級。 本方案通過對現(xiàn)場信號設備的智能化和模塊化設計，使信號設備在現(xiàn)場構成網(wǎng)絡并將控制信號承載在英特網(wǎng)協(xié)議之上，所有信號設備的控制由網(wǎng)絡完成。 這種信號機的智能化設計方法，可以做到站場內的全部信號機的控制信號， 通過以太網(wǎng)接入到控制室，在控制室內， 通過用通信電纜與室內的信號設備連接，實現(xiàn)控制，同時控制信號燈 LED 顯示方式，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。1 系統(tǒng)整體方案信號機中燈位的控制采用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，并具有網(wǎng)絡通信功能，其中信

5、號機功能及網(wǎng)絡結構圖如圖1 所示。圖 1 中上半部分為室外設備，包括信號機和雙網(wǎng)熱備通信電纜，使用以太網(wǎng)連接，這也是現(xiàn)代信號控制發(fā)展的方向 5 。對于通信電纜長度超過 4 km 的站場，還包括雙網(wǎng)通信智能中繼控制器。 每架信號機中的各個信號燈都是一個獨立的網(wǎng)絡節(jié)點，都有獨立的網(wǎng)絡地址，地址可由位于燈后殼的 DIP 開關或是燒入軟件時實現(xiàn)設置。 接入網(wǎng)絡的每個燈位， 都可以通過網(wǎng)絡匯報自己的健康度和系統(tǒng)自檢結果， 以供控制機完成健康度匯總分析，同時控制機通過網(wǎng)絡控制完成全系統(tǒng)的故障自診斷與故障定位，這樣可進一步提高系統(tǒng)的可靠性；對于出現(xiàn)健康隱患的信號燈，站場維護部門可根據(jù)控制室的匯總報表定期對設

6、備進行硬件維護和更換。如圖 1 所示，每架信號機中的幾個燈位都采用雙電源熱備供電。圖中下半部分為室內設備及其連接關系，室內設備安裝于一個標準機柜中，機柜中的設備包括二乘二取二機柜一個或多個（根據(jù)站場大小而定），監(jiān)控工控機 2 臺，其中有 1 臺為冷備機，用于主機故障時候使用。圖 1 所示信號機中的每一個燈位都由一個信號智能控制單元和一個LED 發(fā)光盤組成。如果信號機的架數(shù)較多時， 可以根據(jù)區(qū)域分布將相近的信號機組成一個局部網(wǎng)絡，即一個組，形成子網(wǎng)，然后通過子網(wǎng)向上層網(wǎng)絡匯聚數(shù)據(jù)。對于同一個組中的所有信號機由智能中繼控制器管理；智能中繼控制器通過接收上級智能橋接控制器的指令來控制本組中信號設備的

7、工作，并實現(xiàn)信號匯總和傳輸；指令由通信數(shù)據(jù)包傳輸，每個數(shù)據(jù)包包含尋址的設備地址和控制信息。智能橋接控制器是智能信號控制系統(tǒng)的核心，各組的智能中繼控制器通過第二級網(wǎng)絡與智能橋接控制器連接。它可將計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中輸出的點燈信號控制信號進行邏輯分析， 轉換為智能控制網(wǎng)絡的控制信息，實現(xiàn)對智能中繼控制器的管理，最終實現(xiàn)對現(xiàn)場所有信號機的控制。智能橋接控制器通過網(wǎng)絡采集所有信號機的工作狀態(tài)， 傳輸?shù)叫盘枡C系統(tǒng)故障定位及分析單元，用戶可以通過終端查詢不同故障級別的信號機的分布及健康度。同時，系統(tǒng)也可以自動報警， 以提示健康度超限的信號機進行維護，同時將報警信息傳輸?shù)杰囌局蛋嗍摇Ｐ盘枡C的控制信號來自聯(lián)鎖系統(tǒng)

8、， 智能橋接器可實現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)出的信號繼電器邏輯進行分析轉換，通過現(xiàn)場網(wǎng)絡傳輸。本設計在提高鐵路信號系統(tǒng)的智能化程度的同時，使信號的電纜使用量大幅度下降，系統(tǒng)可維護性和可擴容性顯著提高。同時，為提高可靠性，本方案中，加入了“信號燈健康度”統(tǒng)計量，“信號燈健康度”主要針對 LED 信號燈，即 LED 信號燈中可正常工作的 LED 發(fā)光管數(shù)目占發(fā)光管總數(shù)的百分比。為了獲得信號燈健康度數(shù)據(jù)，集成在信號燈中的微處理器需要準確識別 LED 發(fā)光管中短路（擊穿）和開路（燒斷） 2 種故障，并進行統(tǒng)計，給維護部門提供更換依據(jù)。2 系統(tǒng)關鍵技術2.1 二乘二取二系統(tǒng)主備系統(tǒng)二乘二取二系統(tǒng)是本設計的功能核心。二

9、乘二取二系統(tǒng)接收微機聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)來的點燈邏輯， 傳送到兩系熱備的控制機， 控制機主機解析點燈邏輯，翻譯成網(wǎng)絡命令發(fā)送給現(xiàn)場的信號燈位，信號燈位反饋回網(wǎng)絡狀態(tài)和健康度；同時控制機分析燈絲繼電器邏輯， 然后通過二乘二取二系統(tǒng)反饋給微機聯(lián)鎖系統(tǒng)。整套系統(tǒng)替換現(xiàn)有的信號機及點燈邏輯電路后，不改變微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的任何操作，所以微機聯(lián)鎖系統(tǒng)感知不到新系統(tǒng)的啟用。按照網(wǎng)絡理論可表達為“智能信號機系統(tǒng)對微機聯(lián)鎖系統(tǒng)是透明的”。為了不影響微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的驅動與采集，系統(tǒng)與微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的信號傳遞采用了全物理隔離，即信號繼電器的磁隔離， 進一步提高系統(tǒng)安全性能。 在本設計中， 二乘二取二系統(tǒng)通過控制機實現(xiàn)，主要包含以下4

10、 部分：（1 ）信號輔助繼電器邏輯處理單元：智能信號控制系統(tǒng)的核心，它可將計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中輸出的點燈信號進行邏輯分析，轉換為智能控制網(wǎng)絡的控制信息，最終實現(xiàn)對現(xiàn)場所有信號機的集中控制；（2 ）智能橋接控制單元：通過網(wǎng)絡采集所有信號機的工作狀態(tài)和健康度信息，并實現(xiàn)對網(wǎng)絡的管理和維護，包括燈位的入網(wǎng)、退網(wǎng)、脫機、故障及監(jiān)控 AB 雙網(wǎng)的智能切換。（3 ）信號機系統(tǒng)故障定位及分析單元：通過智能橋接控制單元接收網(wǎng)絡上信號燈的健康度信息、故障自診斷信息、網(wǎng)絡注冊節(jié)點信息，AB 網(wǎng)在各個節(jié)點的故障情況， 將上述情況進行匯總分析， 給出綜合報警信息， 通過郵件報表方式傳送給維護部門。（4 ）人機接口單元：包

11、括強制倒機切換按鈕和監(jiān)控機系統(tǒng)。強制切換按鈕完成二乘二取二的主備系統(tǒng)的硬切換，主要用于出現(xiàn)緊急事故時或網(wǎng)絡控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為保證行車安全，而進行的硬切換。2.2 信息的采集和驅動在設計中，本智能控制系統(tǒng)通過對信號繼電器接點的采集，將采集信息輸入智能控制機， 通過控制機的邏輯分析判斷，輸出控制命令， 從而完成對信號機的開放。信息采集具有以下幾個特點：（1 ）為減少對原系統(tǒng)的干擾，采用和原聯(lián)鎖系統(tǒng)的無縫連接，所有采集的接點全部為信號繼電器的空結點。（2 ）為保證信息采集的可靠，對采集每個信號繼電器的接點均采用其上下都采集，這樣可防止由于繼電器接粘連而可能出現(xiàn)的信號升級顯示，降低了信號虛假信號的

12、誤判率，提高了系統(tǒng)安全性。在設計中，由于實際上已經(jīng)取消了繼電點燈電路，原燈絲繼電器實際也已經(jīng)不復存在， 但由于微機聯(lián)鎖系統(tǒng)仍然在采集燈絲繼電器的信息，為減少改動微機聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件帶來的麻煩，設計中仍保留了“燈絲繼電器”，并通過智能控制機輸出驅動信號使其按照原邏輯吸起。燈絲繼電器信號驅動電路如圖2 所示。在驅動電路設計時，需要考慮向前向后兼容性，因此，驅動電路具備以下幾個特點：（1 ）繼電器沒有使用動態(tài)繼電器，而是采用普通繼電器，考慮到雙機切換時，為保持繼電器不至于落下，選擇了具有緩放功能的繼電器。（2 ）由于沒有采用動態(tài)繼電器，為保證驅動的安全和可靠，對所驅動的燈絲繼電器采取了回采的辦法，出現(xiàn)驅

13、動和采集不一致時， 立即使該繼電器落下，保證故障安全，提高了系統(tǒng)可靠性。（3）對于一些老車站的信號燈設備，本系統(tǒng)可以較好的實現(xiàn)向下兼容。2.3 LED 信號發(fā)光盤傳統(tǒng)的色燈信號燈采用白熾燈作為光源，由光源、集光器、反射鏡、色鏡及用于形成光分布的透鏡組成。由于白熾燈的光輻射幾乎占據(jù)整個空間，因此需要用反射器將其他方向上的光收集起來投向要求的區(qū)域。傳統(tǒng)的色燈信號燈的缺點是壽命短，僅1 0003 000 h；耗電量大，通常要用25 W ；光亮效果差，形成可靠光源的結構復雜， 焦距調整麻煩； 主燈絲斷絲不能報到具體燈位，不便維護的缺點尤為明顯 6?7 。本設計采用 LED 光源，具有普通 LED 信號

14、機的所有優(yōu)點，如節(jié)能、長壽命等，并特有LED 發(fā)光管短路、斷路的自診斷功能和保護功能，并由此可以計算“信號燈健康度”。 每個燈位的健康度信息可通過網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂茩C。此外，信號燈系統(tǒng)具有系統(tǒng)及網(wǎng)絡故障自診斷和故障定位功能，故障信息可通過網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂茩C，包括信號的開啟關閉狀態(tài)、 工作電流狀態(tài)、 溫度狀態(tài)、濕度狀態(tài)等。本設計中的 LED 發(fā)光盤為帶有智能控制芯片的LED 發(fā)光盤，每個發(fā)光盤有地址撥碼開關，相對應于每個信號機燈位， 具有固定的地址碼， 為防止更換發(fā)光盤時地址碼撥錯，在地址碼上方具有易于識別的液晶顯示對應的數(shù)字。同時，LED 能夠具有短路斷路報警功能，其LED 發(fā)光管選用了高亮度低功耗

15、的發(fā)光管。本設計所選的 LED 燈源外殼為金屬外殼，強度高，散熱好。對應的2 個接線插座分別是電源插座和雙網(wǎng)通信插座， LED 發(fā)光盤和線纜的連接采用航空插頭，方便維護更換。圖 3 為 LED 信號燈機構的設計及LED 信號燈的機殼機電路系統(tǒng)。對于 LED 燈控制方面，控制系統(tǒng)可對微機聯(lián)鎖系統(tǒng)送來的點燈邏輯信號進行合法性檢查， 如有非法碼則導向安全顯示。 可診斷信號繼電器的上中下觸點同時粘連的故障和懸空故障， 并自動導向安全。該系統(tǒng)的控制機采用雙網(wǎng)控制，無擾切換，可實現(xiàn)故障自診斷，具有歷史紀錄查詢和回放的功能。2.4 電源模塊設計LED 發(fā)光盤的點燈電源為高可靠的開關電源，考慮到現(xiàn)場電源可能出

16、現(xiàn)波動，采用了寬幅和抗浪涌的工作的電源，在輸入交流電為85265V 時，均能保證可靠工作。 為進一步保證系統(tǒng)可靠， 該開關電源設計為雙套熱備，任何一個的故障，無論開路、短路，均不影響發(fā)光盤的點亮。開關電源的接線采用冷壓接頭連接。2.5 微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的接口本設計在完成系統(tǒng)安裝后，在控制室首先關聯(lián)的設備是微機聯(lián)鎖系統(tǒng)，為使智能信號機系統(tǒng)不影響微機聯(lián)鎖系統(tǒng)，信號機系統(tǒng)對點燈邏輯信號的采集和燈絲繼電器信號的驅動都采用繼電器在中間隔離8 。為不影響微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性，智能信號機系統(tǒng)只采集微機聯(lián)鎖信號繼電器的空端子，這樣可以保證通過繼電器隔離的方法傳遞信號。采集和驅動隔離方式如圖4 所示。圖 4 中虛線

17、為隔離線， 可以看出微機聯(lián)鎖與智能信號機系統(tǒng)之間沒有導線的連接，實現(xiàn)了物理隔離。 上下接點同時采集可以判斷， 中接點和上下接點同時粘連的情況， 但對于中接點和上下接點單獨粘連的情況則無法判斷。 對于驅動的燈絲繼電器的各種接點粘連則全部能夠判斷。 為了防止智能信號機驅動燈絲繼電器信號時對微機聯(lián)鎖造成影響，使微機聯(lián)鎖系統(tǒng)只采集燈絲繼電器的空端子，這樣保證了智能信號機系統(tǒng)和微機聯(lián)鎖系統(tǒng)沒有導線的直接電氣連接，如圖5所示。3 系統(tǒng)自身安全性分析智能信號機系統(tǒng)本身的安全性保障采取多個安全措施，保證了系統(tǒng)自身的安全性 9?10 ：（1 ）控制機采用故障安全的動態(tài)電路采集微機聯(lián)鎖送來的信號；（2 ）控制機采

18、用三取二邏輯進行點燈邏輯的計算；（3 ）控制機采用硬件防死機技術，保證系統(tǒng)不停機；（4 ）系統(tǒng)采取雙網(wǎng)熱備通信，保證通信安全可靠；（5 ）信號燈控制板也采用了硬件防死機技術，保證系統(tǒng)受到干擾后不停機；（6 ）大量采用了軟件和糾錯校正冗余技術，保證系統(tǒng)的容錯性能。4 結語本文提出一種新穎的方案， 將 LED 信號燈進行網(wǎng)絡化控制，每個 LED 信號燈集成一套具有雙網(wǎng)熱備通信功能的嵌入式微處理器系統(tǒng)，由安裝于機械室內的智能信號機控制器集中控制，智能信號機控制器接收來自微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的信息，執(zhí)行點燈命令， 反饋燈絲繼電器信息。 本設計可提高鐵路信號系統(tǒng)的智能化程度，使傳輸信號的電纜使用量大幅度下降， 系